(57)【要約】【課題】  組み立てが容易で安価な熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０の対応する素子嵌合孔３にそれぞれ貫通嵌合し、熱電変換素子５の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（上側）と他端側（下側）にはそれぞれシート部材８を設ける。シート部材８は絶縁弾性シート７の表面に導電弾性部材により形成された電極部９を互いに間隔を介して複数配列形成し、電極部９の形成面側を熱電変換素子５側に向けて配設する。熱電変換素子５の一端側に配置するシート部材８の電極部９と他端側に配置するシート部材８の電極部９とは互いに位置をずらした状態と成し、対応する電極部９を介して熱電変換素子５を接続する。それぞれの電極部９を該電極部９の弾性変形による熱電変換素子５への接触圧によって対応する熱電変換素子５の端部にそれぞれ圧接する。【選択図】        図１
2005353833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、絶縁弾性シートの表面に導電弾性部材により形成された電極部を互いに間隔を介して複数配列形成したシート部材が前記電極部の形成面側を前記熱電変換素子側に向けて配設されており、該熱電変換素子の一端側に配置されたシート部材の電極部と他端側に配置されたシート部材の電極部とは互いに位置をずらした状態と成して、対応する電極部を介して前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記それぞれの電極部は該電極部の弾性変形による熱電変換素子への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
熱電変換素子の両端側にそれぞれ配置されたシート部材のうち少なくとも一方は、導電弾性部材により形成された電極部を絶縁弾性シートの表面に形成する代わりに、電極部嵌合孔を互いに間隔を介して複数形成した絶縁弾性シートの前記電極部嵌合孔にそれぞれ前記電極部を嵌合固定して成るシート部材としたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである
【背景技術】
【０００２】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられており、様々な熱電変換モジュールの構成が提案されている。図７には、代表的な熱電変換モジュールの構造の一例が示されている。この熱電変換モジュールはペルチェモジュールであり、複数の素子嵌合孔３を有する絶縁性基板（絶縁支持板）３０の素子嵌合孔３に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合して形成されている（例えば特許文献１、２、参照。）。
【０００３】
ペルチェモジュールの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型（ｐ型）の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型（ｎ型）の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型およびＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、例えば長さが０．５〜３．０ｍｍ程度のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成されている。
【０００４】
前記絶縁性基板３０は、例えば厚さが０．２〜１．０ｍｍ程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキシ板により構成されており、この絶縁性基板３０の上下側に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が、例えば０．１〜１．６ｍｍ程度突出するように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが、それぞれ、対応する素子嵌合孔３に貫通嵌合固定されて交互に配置されている。
【０００５】
Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれ電極２が配置されている。これらの電極２はいずれも半田付けにより熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されており、この接合により、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、対応する電極２を介して電気的に直列に接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。なお、図７において、半田は示されていない。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路は、図示されていないリード端子とリード線を介して電源回路等に接続されている。
【０００６】
上記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電極２を介して電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００７】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱がペルチェモジュールの上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の例えば上端部が冷却せしめられると、ペルチェモジュールの上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１８１３６２
【特許文献２】特願平８−３５４１３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように、絶縁性基板３０に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通固定して成るタイプの熱電変換モジュールにおいて、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側と他端側とに対応する電極２を複数配置して、それぞれ半田付けにより熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合する操作は大変である。そのため、熱電変換モジュールの製造に時間がかかるし、半田付けを的確に行えないこともあるために、製造歩留まりの低下やコストアップを招くといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、組み立てが容易で、安価な熱電変換モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、絶縁弾性シートの表面に導電弾性部材により形成された電極部を互いに間隔を介して複数配列形成したシート部材が前記電極部の形成面側を前記熱電変換素子側に向けて配設されており、該熱電変換素子の一端側に配置されたシート部材の電極部と他端側に配置されたシート部材の電極部とは互いに位置をずらした状態と成して、対応する電極部を介して前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記それぞれの電極部は該電極部の弾性変形による熱電変換素子への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１２】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記熱電変換素子の両端側にそれぞれ配置されたシート部材のうち少なくとも一方は、導電弾性部材により形成された電極部を絶縁弾性シートの表面に形成する代わりに、電極部嵌合孔を互いに間隔を介して複数形成した絶縁弾性シートの前記電極部嵌合孔にそれぞれ前記電極部を嵌合固定して成るシート部材とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側には、絶縁弾性シートの表面に導電弾性部材により形成された電極部を互いに間隔を介して複数配列形成したシート部材の電極形成面側、または、絶縁弾性シートの電極部嵌合孔にそれぞれ導電性弾性部材の電極部を嵌合固定することにより電極部を互いに間隔を介して複数形成したシート部材が、配設されているので、対応する熱電変換素子同士を接続する態様で電極を個々に設ける場合と異なり、シート部材の配設によって、電極部を一括して対応する熱電変換素子の端部に対向配置できる。
【００１４】
また、本発明において、それぞれの電極部は、該電極部の弾性変形による熱電変換素子への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接されているので、半田を設けて電極部を固定しなくても熱電変換素子と電極部との導通を良好に行えるようになり、非常に容易に組み立てられるので、製造歩留まりを向上させることができるし、コストも安くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００１６】
図１には、本発明に係る熱電変換モジュールの一実施形態例が模式的な断面図により示されている。同図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュール１も、図７に示した熱電変換モジュールと同様に、絶縁性基板３０を有している。
【００１７】
図３に示すように、該絶縁性基板３０には、複数の素子嵌合孔３が互いに間隔を介して形成されており、これらの素子嵌合孔３には、図１に示したように、それぞれ対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合固定されている。なお、絶縁性基板３０は、例えばガラス繊維強化のエポキシ樹脂製の板により形成されており、素子嵌合孔３への熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の固定方法は、例えば接着剤を用いる等、適宜の方法が用いられる。
【００１８】
また、本実施形態例は、以下に示すように、従来例と異なる特徴的な構成を有している。つまり、図１に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれシート部材８が配置されている。このシート部材８は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁弾性シート７の表面に導電弾性部材により形成された電極部９を互いに間隔を介して複数配列形成して成り、図１に示したように、シート部材８は、電極部９の形成面側を前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配設されている。
【００１９】
本実施形態例において、絶縁弾性シート７は絶縁ゴム（例えばシリコンゴム）により形成されており、電極部９は導電性ゴム（例えばカーボン入りシリコンゴム）により形成されており、これらのゴムは、いずれも熱伝導性に優れている。
【００２０】
また、図１、図２に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側（ここでは上側）に配置されたシート部材８の電極部９と、他端側（ここでは下側）に配置されたシート部材８の電極部９とは、互いに位置をずらした状態と成して、対応する電極部９を介して前記Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとが電気的に接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路が形成されている。この熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路は、リード端子２７とリード線２８を介し、電源回路等の適宜の電気回路に接続されている。
【００２１】
そして、本実施形態例の最も特徴的な構成は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側に配置されたシート部材８のそれぞれの電極部９が、該電極部９の弾性変形による熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）への接触圧によって対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部にそれぞれ圧接（ここでは圧接固定）されていることである。
【００２２】
本実施形態例は以上のように構成されており、この熱電変換モジュール１を製造するときは、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を形成する。なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端部（電極部９との接触部）には、メッキ処理等の表面処理を施す。この表面処理は、電極部９との導通を行いやすくするために行われるものであり、例えばニッケルメッキの母剤の上に金メッキ層や半田メッキ層を積層する等、適宜の処理が行われる。
【００２３】
そして、図４（ａ）に示すように、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３にそれぞれ、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合固定する。その後、図４（ｂ）に示すように、その熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下両側（前記素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側）にシート部材８を設けて、シート部材８の電極形成面（電極部９の形成面）側を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けてシート部材８により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を挟む。
【００２４】
そして、矢印に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて圧力を加え、電極部９を弾性変形させて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）への接触圧により圧接固定する。
【００２５】
また、必要に応じ、例えば図５に示すように、熱電変換モジュール１の上側に金属プレート１１を設け、熱電変換モジュール１の下側にヒートシンク１２を設けて、金属プレート１１とヒートシンク１２とをねじ部材１３で固定して用いる。なお、ヒートシンク１２の代わりに、熱電変換モジュール１の下側にも金属プレートを設けることもできる。
【００２６】
この例は、金属プレート１１の上に被冷却部材（図示せず）を搭載し、この被冷却部材を熱電変換モジュール１により冷却する例であり、この場合、熱電変換モジュール１の下側（熱電変換素子５の下端側）は加熱面となるので、ヒートシンク１２により冷却すれば、より効率的に、熱電変換モジュール１による被冷却部材の冷却が行われる。
【００２７】
本実施形態例によれば、上記のように、絶縁弾性シート７の表面に電極部９を複数配列形成したシート部材８の電極形成面側を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配設しており、このシート部材８に適宜の圧力を加えて、電極部９をその弾性変形による接触圧で対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部に圧接固定しているので、電極２を個々に設ける場合と異なり、シート部材８の配設によって電極部９を一括して配設できるし、半田付けしなくても電極部９と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との導通を良好に行えるようになり、非常に容易に組み立てることができる。
【００２８】
したがって、本実施形態例は、製造歩留まりの向上とコストダウンを確実に図ることができる熱電変換モジュールを実現できる。
【００２９】
また、図５に示したように、金属プレート１１とヒートシンク１２とにより熱電変換モジュール１を挟み込んで用いると、熱電変換モジュール１の電極部９と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との圧接固定を、より確実に行うことができ、さらに、金属プレート１１の上に搭載される被冷却部材の配置も、より安定したものにできる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側にそれぞれ配置したシート部材８は、導電弾性部材５（５ａ，５ｂ）により形成された電極部９を絶縁弾性シート７の表面に形成したものとしたが、図６に示すように、電極部嵌合孔４を互いに間隔を介して複数形成した絶縁弾性シート７の電極部嵌合孔４にそれぞれ電極部９を嵌合固定して成るシート部材８としてもよい。
【００３１】
また、絶縁弾性シート７の材質や電極部９の材質も、特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば現在市販されている電卓やリモコンのボタン等に適用されている材質の絶縁ゴムを絶縁弾性シート７とし、導電性ゴムを電極部９とする等、適宜設定されるものである。
【００３２】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換モジュールは、絶縁性基板３０の平面形状を略四角形状に形成したが、平面形状が略円形状の絶縁性基板３０を適用した熱電変換モジュールとしてもよいし、絶縁性基板３０の形状、厚み、材質等は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００３３】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を断面形状が矩形状の素子としたが、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば、その断面形状が円形状の素子としてもよいし、他の形状の素子としてもよい。
【００３４】
さらに、上記説明は熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールの構造について例を挙げて説明したが、本発明の熱電変換モジュールの構造は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの構造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの構造の一実施形態例を模式的に示す説明図である。
【図２】上記実施形態例の熱電変換モジュールに適用されている、上側配置のシート部材（ａ）と下側配置のシート部材（ｂ）を電極形成面側から見た平面図により示す説明図である。
【図３】上記実施形態例の熱電変換モジュールに適用されている絶縁性基板の平面説明図である。
【図４】上記実施形態例の熱電変換モジュールの製造工程例を示す説明図である。
【図５】上記実施形態例の熱電変換モジュールの使用状態例を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例を模式的に示す説明図である。
【図７】従来の熱電変換モジュールの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  熱電変換モジュール
３  素子嵌合孔
４  電極部嵌合孔
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
７  絶縁性シート
８  シート部材
９  電極部
２７  リード端子
２８  リード線
３０  絶縁性基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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